樹狀鋼管柱的設計與應用研究

邸芃　姚琪

摘 要：樹狀結構是一種新穎的建筑結構形式，它的承載力較高，傳力路徑較合理，支撐空間大，可以用較小的幾個桿件支撐較大的空間，因而在工程中被普遍應用。主要闡述了樹狀結構鋼管柱的設計關鍵問題，包括樹狀結構的分枝數量研究、傳力路徑、連接設計和計算長度系數等，然后分析了樹狀結構鋼管柱的結構技術，對圓型鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱進行對比分析，得出圓型鋼管混凝土柱的廣泛適用性，最后介紹了鋼管柱的防火措施，為鋼管樹狀柱今后的大面積推廣做好了鋪墊。

關鍵詞：樹狀結構；鋼管柱；計算長度；防火

樹狀結構是近年來新興起的一種仿生建筑結構，因其承載力高，支撐空間大和美學價值高而被廣泛的應用。與普通建筑結構相比，樹狀結構可以提供更大的跨度，進而充分地適應與滿足建筑對空間的需求，因此，車站、雨棚等一些公共建筑常采用這種建筑類型。

樹狀結構運用仿生建筑學原理，模仿大自然界中的植物——樹，使用的材料基本上都是圓鋼管，鋼材屬于綠色建材，可回收利用，所以，設計中一般都會采用鋼材，通過對鋼管桿件的合理布置，根據樹木層次明顯，分枝較多的特征進行設計，建筑造型就比較靈活，達到了建筑的藝術效果，使建筑和結構渾然一體，達到了綠色生態建筑的標準。更重要的是建造時采用鋼管柱，其受力合理，承載力高，就像一棵大樹，樹干便可支撐比它大多倍的枝葉重量，在風力作用下，彎而不折，達到結構設計的安全要求。盡管仿生樹狀鋼管柱有很多的優勢，其結構形態在大自然中也比較常見，但在世界范圍內真正采用這一結構形式的比較晚，直到1960年幾個發達國家才開始實際建造。樹這一結構類型在國外較常見，如里斯本東方車站等，在國內比較少，大型的樹狀結構更是少之又少，國內較熟知的便是深圳文化中心“黃金樹”結構，其他的大部分應用在車站等大型公共建筑上。

1 樹狀鋼管柱的設計關鍵問題研究

1.1 分枝數量研究

樹狀結構一般將鋼材作為主要材料，對于分枝多、受力大的結構，其主柱也可以采用鋼管混凝土柱，以滿足受力要求。其一般都呈現出多層多級分叉、空間范圍大、平面伸展廣的形態特征。文章以二級分枝的樹狀結構為例（圖1）分析樹狀柱的分枝數量，即首先是底部地基與單主柱相連，單主柱分出的一級分枝再各自分出不同的二級分枝，最后二級分枝再與相應的屋面梁等連接。當然就像大樹一樣，分枝越多，就越有美感，建筑結構也一樣，而樹枝、主柱等受力也就越復雜，這樣便會導致樹狀結構的設計計算變的復雜甚至受到限制，施工也更困難，所以，樹狀結構增加分枝的數量要適度。

圖1 樹狀柱的體系組成

1.2 傳力路徑

樹狀鋼管柱大都具有多層分支分叉和三維伸展的特點。大致的傳力路徑是，屋面將所受到的外荷載傳遞到各級樹狀柱的分枝上，其次，各級分枝承受的力再傳遞給上一級樹枝，然后，所有的樹枝分力匯總起來傳給樹狀主柱，最后，主柱再將合力傳給基礎。圖2給出了樹狀主柱與分枝之間的傳力路徑，具體步驟如下：第一，上部結構將承受的自重及外力全部傳遞給二級分枝柱。一般情況下，屋面梁與二級分枝的連接方式為鉸接，目的是方便施工和避免彎矩直接傳遞至受力過大，造成結構破壞；第二，各二級分枝柱通過節點O2、O3、O4將自重及外力傳遞給各一級分枝柱。在此過程中需要注意以下兩方面，一方面是當各節點的二級樹枝不能形成一個平面時，要根據平行四邊形準則，盡可能調整分枝的方向，使得各分枝的軸向合力沿著一級分枝軸線O1O3，確保合力方向唯一；2）如果二級樹枝形成一個平面，如二級樹枝FO4、GO4在同一個平面上，則應使FO4、GO4的合力延長線在軸線O1O4上，形成一個力的平行四邊形，確保受力方向唯一，再次，經過樹枝上述力的傳遞之后，一級樹枝再將承受的力通過節點O1傳遞到樹狀主柱O1O上。最后，樹狀主柱將承受的合力傳遞到基礎承擔。

1.3 連接設計

由上面樹狀柱的傳力路徑可知，各分枝節點的連接方式應根據具體情況確定。對于分枝數量少、桿件長度小、施工方便和受力較好的節點，可直接施焊。就樹狀鋼管柱而言，最常見的節點形式只有鋼管相貫節點滿足要求。但是，主柱與分枝柱相連的節點，枝干引起的側向力較大，容易把鋼管主柱破壞，所以，設計時用內、外環加勁板安置在鋼管主柱的相貫截面處，可提高其截面的剛度，從而確保鋼管主柱不被破壞。但是，一些樹狀結構，具有分枝多、桿件長、管徑粗、施工復雜等特點，因此，需要采用單獨的鑄鋼節點。

1.4 計算長度系數

由于國內研究學者對樹狀結構桿件的計算長度的研究還沒有深入。因此，桿件長度系數的計算便成為一個較復雜的課題，主要影響因素有以下幾點：（1）樹枝長度比值；（2）截面剛度比值；（3）末端支撐采用的支座可否簡化。實際工程中，樹狀結構的屋面支撐都有樹狀柱，不同的是有無其他落地支撐，對于有落地支撐的屋面，在設計時，可將其看成穩定的剛性屋面，與樹梢末端連接，產生的側移幅度較小，可將支座簡化為不動鉸支座，如常見的一些大跨度車站；而對于無落地支撐的屋面，產生的側移幅度較大，便可將末端簡化成懸臂端，如常見的連廊結構建筑。更重要的是，樹狀結構在設計過程中，合理地計算各枝干與主干之間的剛度和強度比值，可以將分枝失穩現象控制到主干柱失穩之前，避免結構嚴重破壞，所以，分支穩定問題的解決，將能確保樹狀柱的整體穩定性。當然，這也可以運用有限元分析軟件進行模擬計算，也就是施加一對集中力來對桿件進行線彈性屈曲分析，再根據歐拉臨界力的計算公式（公式1），和軟件得出的屈曲結果，反推出各級樹狀柱的計算長度系數（公式2），以此便可計算出桿件在理想狀態時的計算長度系數。

（1）

（2）

2 樹狀柱的鋼管混凝土結構技術

鋼管混凝土柱是利用混凝土和鋼管這兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對周邊混凝土約束，使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性得到改善。采用鋼材和混凝土這兩種建筑材料，其力學特性可得到更充分的發揮。很多的工程實踐都表明：采用鋼管混凝土的承壓構件比普通混凝土的大約可以節約50%的混凝土，也可減輕結構50%左右的自重；和鋼結構相比，其可以節約50%左右的鋼材；鋼管混凝土柱的防銹費用也比空鋼管柱的要低。表1是鋼管混凝土柱的兩種類型的比較和它們各自的應用范圍等。

3 樹狀鋼管柱的防火

建筑火災與其他的火災相比較，它具有傷害力大、撲救困難、燃燒速度快和容易造成人員傷亡和巨大經濟損失的特點，究其根本原因，有一部分就是建筑物的可燃性。雖然鋼材不是可燃物，但一旦遭受火災，強度會驟降，當溫度升高至600℃時，鋼結構的屈服強度比之前減少30%左右，鋼材強度、剛度承載力也全部降低接近失效，所以，當無防火措施的樹狀結構鋼管柱建筑遇到火災時，結構破壞會較明顯，并造成一定程度的損失。為了保證樹狀結構在火災時其強度、剛度、穩定性和承載力等性能能夠持續一段時間再逐漸降低，所以必須在鋼結構表面包敷防火材料，使其性能保持在耐熱允許范圍之內。

根據各仿生建筑耐火程度的不同，防火材料的施工方法也不盡相同。常見的防火措施有外噴式和外包式兩種。使用防火涂料是其中的一種措施，因其具有高效的耐火性能，并具有普通涂料的裝飾性、工藝性和耐久性等特性，并且施工較方便，對結構形態也沒多大影響，因此，樹狀結構較宜采用防火涂料進行施工，并且施工也應在鋼結構工程驗收完畢后進行。

4 結語

樹狀鋼管柱不僅模仿了大自然中大樹的形態，又充分發揮了鋼結構的優勢，受力合理，具有很高的美學價值，可提倡推廣應用。文章主要闡述了樹狀結構鋼管柱的設計關鍵問題，包括對樹狀結構分枝的數量研究、傳力路徑、連接設計和計算長度等，把鋼管樹狀柱的結構設計關鍵問題分析清楚，并介紹了樹狀鋼管柱的結構技術，得出最適合樹狀鋼管柱的材料與技術，最后結合實際工程，給出樹狀結構的防火措施，為大跨度空間結構采用鋼管樹狀柱積累一定的經驗，為樹狀結構設計的完善與大規模應用拋磚引玉。

參考文獻

[1] 王忠全，陳俊，張其林.仿生樹狀鋼結構柱設計研究[J].結構工程師，2010，26（04）：21-25.

[2] 王明貴，顏鋒.鋼管樹狀結構設計[J].鋼結構，2006，21（06）：47-49.

[3] 陳俊，張其林，謝步瀛.樹狀柱在大跨度空間結構中的研究與應用[J].鋼結構，2010，25（03）：1-4.

[4] 薩鵬程.樹狀結構空間節點性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2009：12-16.

[5] 陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2006.

[6] 張倩.樹狀結構找形優化分析及結構性能研究[D].天津：天津大學， 2013：24-25.

[7] 譚仲毅.樹狀結構施工技術研究與應用[D].重慶：重慶大學，2001： 77-80.